CN102280259A - 染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：步骤1：取一导电基片；步骤2：在导电基片上沉积ZnO晶种层，有利于ZnO纳米线的外延生长；步骤3：采用水热化学反应法，在ZnO晶种层上外延生长ZnO纳米线阵列，有利于光生电子的直线传输；步骤4：采用丝网印刷技术在ZnO纳米线阵列的表面印刷TiO2浆料；步骤5：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜，完成TiO2纳米晶多孔膜和ZnO纳米线阵列纳米复合光阳极的制备。

Description

染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法
技术领域
本发明涉及新能源的开发与利用研究领域，具体涉及一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法。
背景技术
经过十年的研究，染料敏化太阳能电池(Dye-sensitized solar cell，简称DSSC)中光生电子的产生和复合间的竞争是进一步提高其光电转换效率的主要瓶颈。因此，攻克此难题的方向有两个：一、产生更多的光生电子；二、减少电子的反向复合。近年来，科学家从理论和实验上证明一种可增加光生电子的有效途径是在光阳极引入光散射媒质，利用光增强效应来提高阳极的电子产出能力。而减少电子反向复合的最有效的解决办法就是将一维纳米结构引入到阳电极中，缩短电子传输路径、增加电子扩散自由程。
氧化锌具有优异的光学性能和电子传输能力，在导电基片上生长ZnO纳米线作为DSSC的阳电极，可以促进电荷分离，加快电子传输并减少电子复合。自从2005年Peidong Yang提出这一概念以来，在导电基片上大面积、低成本制备ZnO阵列膜成为了科学界的研究热点。而目前报道的这种电极结构DSSC的光电转换效率都很不理想，主要原因是此类电极的比表面积较小，吸附的染料有限，抑制了电池效率的提高。
TiO2纳米晶多孔膜作为传统的DSSC的光阳极为电池提供了大的比表面积，并且这种纳米晶孔状结构可以充当光散射层，增加光的传播路径，更有效的利用太阳光激发染料产生光生电子。本发明在ZnO纳米线阵列表面印刷TiO2纳米晶多孔膜，可将两种结构的优点结合起来，从而有效提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法。该复合电极可以加快注入电子的传输、减少电子的反向复合，同时可以提高电极的比表面积，有利于吸附更多的染料，是一种可以提高染料敏化太阳能电池光电转换效率的理想电极。
本发明提供一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取一导电基片；
步骤2：在导电基片上沉积ZnO晶种层，有利于ZnO纳米线的外延生长；
步骤3：采用水热化学反应法，在ZnO晶种层上外延生长ZnO纳米线阵列，有利于光生电子的直线传输；
步骤4：采用丝网印刷技术在ZnO纳米线阵列的表面印刷TiO2浆料；
步骤5：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜，完成TiO2纳米晶多孔膜和ZnO纳米线阵列纳米复合光阳极的制备。
其中在导电基片上沉积ZnO晶种层是采用磁控溅射、蒸镀或溶胶-凝胶的方法。
其中ZnO晶种层的厚度为200-300nm。
其中外延生长ZnO纳米线阵列3时，采用的方法是水热化学反应法，采用的锌源为硝酸锌或醋酸锌溶液，该硝酸锌或醋酸锌溶液的浓度为50mM-100mM，该水热反应溶液的pH值为9.8-10.3，反应温度为90-120℃，反应时间为5-12小时。
其中丝网印刷TiO2浆料的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在温度为120℃时干燥5分钟。
其中对复合电极进行加热时，是采取分步升温的方式，从室温至150℃，升温速度为1-3℃/min，之后以5℃/min升温至500℃，在500℃时保持20-40分钟。
其中导电基片是导电玻璃或导电塑料。
本发明的有益效果在于：
本发明提出了一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，将TiO2纳米晶多孔膜4和ZnO纳米线阵列3复合电极结构作为DSSC的光阳极，把ZnO纳米线阵列3较高的光利用率和良好的电子传输特性的优点同TiO2纳米晶多孔膜4具有更大的比表面积的优点结合起来，优化了光阳极的微结构，复合光阳极不仅有利于提高光敏染料的吸附量，保障电极具有较高的光捕获效率，而且有助于提高光生电子的产生率和传输能力，减少光生电子的反向复合，从而有望大幅度提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
进一步，TiO2纳米晶多孔膜4可作为透射过ZnO纳米线阵列3光线的漫反射层，使得光线在纳米线阵列中传播时间增长，增大了激发染料的机会。
附图说明
为使本发明的目的，技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：
图1是TiO2纳米晶多孔膜和ZnO纳米线阵列复合光阳极的示意图。
具体实施方式
请参阅图1所示，本发明提供一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取一导电基片1，该导电基片1是导电玻璃或导电塑料，首先对导电基片1进行充分的清洗，将其分别在丙酮、乙醇和去离子水中超声20分钟，并用氮气吹干，待用；
步骤2：在导电基片1上沉积ZnO晶种层2，所述的在导电基片1上沉积ZnO晶种层2是采用磁控溅射、蒸镀或溶胶-凝胶的方法，该ZnO晶种层2的厚度为200-300nm，该ZnO晶种层2的作用是降低导电基片1与ZnO纳米线之间的晶格失配，有利于ZnO纳米线在ZnO晶种层2的表面外延取向生长；
步骤3：采用水热化学反应法，在ZnO晶种层2上外延生长ZnO纳米线阵列3，其中外延生长ZnO纳米线阵列3时，采用的锌源为硝酸锌或醋酸锌溶液，该硝酸锌或醋酸锌溶液的浓度为50mM-100mM，通过在该硝酸锌或醋酸锌溶液中加入氨水、碳酸氢铵、氢氧化钠或六亚甲基四胺等碱性物质，使水热反应溶液的pH值为9.8-10.3，将配好的溶液放入带聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，把ZnO晶种层2保持面朝下倾斜放置在反应釜中，封釜，采用的水热反应温度为90-120℃，反应时间为5-12小时，反应结束后，将高压釜自然冷却至室温，取出沉积ZnO晶种层2的导电基片1，先用去离子水反复冲洗ZnO晶种层2的表面，然后将该水热反应后的ZnO晶种层2在80℃恒温干燥箱中干燥12小时，得到ZnO纳米线阵列3。该ZnO纳米线阵列3为光生电子提供了直线传输的途径，减少了光生电子的传输时间和路径，并降低了光生电子反向复合的几率；
步骤4：采用丝网印刷技术，在ZnO纳米线阵列3的表面印刷TiO2浆料，其中TiO2浆料的有效成分是P25(一种锐钛矿与金红石相TiO2纳米颗粒的混合物，锐钛矿与金红石相TiO2的质量比为2∶1)或纯锐钛矿相TiO2纳米颗粒，纳米颗粒采用水热法或溶胶-凝胶法制备，TiO2纳米颗粒的平均粒径是25-50nm，TiO2浆料的溶剂为松油醇等有机物质。在进行丝网印刷时，首先用乙醇对印刷板和刮板进行清洗，然后对其用吹风机吹干，最后调节好丝网印刷板上网眼与ZnO纳米线3的位置。所述的丝网印刷TiO2浆料的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在温度为120℃的烘箱中干燥5分钟，防止多次印刷时已经印刷好的TiO2浆料层与丝网印刷板粘连；
步骤5：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜4，完成TiO2纳米晶多孔膜4和ZnO纳米线阵列3复合光阳极的制备，所述的对复合电极进行加热时，是采取分步升温的方式，从室温至150℃，升温速度为1-3℃/min，开始加热时较慢的升温速率有利于预防TiO2纳米晶多孔膜4的表面由于热应力和表面张力的作用导致的破裂，之后以5℃/min升温至500℃，在500℃时保持20-40分钟，在500℃时加热20-40分钟是为了充分挥发掉TiO2浆料中的有机物质，使TiO2纳米颗粒之间的空间变成介孔，得到TiO2纳米晶多孔膜4。
通过改变水热反应的条件：如反应时间、反应温度、水热反应溶液的浓度和pH值，可控制ZnO纳米线的直径和长度；TiO2纳米晶多孔薄膜4的厚度可以通过调节印刷浆料的用量、印刷力度和印刷次数控制，通过对这两方面的控制可实现TiO2纳米晶多孔薄膜4和ZnO纳米线阵列3复合光阳极的可控制备。
在该TiO2纳米晶多孔膜4和ZnO纳米线阵列3复合光阳极中，ZnO纳米线阵列3为光生电子提供了直线传输的路径，可以减少光生电子传输时间并降低其反向复合的几率，TiO2纳米晶多孔膜4为电极提供了较大的比表面积，有利于提高电极染料的吸附量和光生电子的产量，并且TiO2纳米晶多孔膜4可作为透射过ZnO纳米线阵列3光线的漫反射层，使得光线在纳米线阵列中传播时间增长，增大了激发染料的机会。因此，该复合电极可以有效的提高染料敏化太阳能电池的光电转换效率。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，包括以下几个步骤：
步骤1：取一导电基片；
步骤2：在导电基片上沉积ZnO晶种层，有利于ZnO纳米线的外延生长；
步骤3：采用水热化学反应法，在ZnO晶种层上外延生长ZnO纳米线阵列，有利于光生电子的直线传输；
步骤4：采用丝网印刷技术在ZnO纳米线阵列的表面印刷TiO2浆料；
步骤5：加热，使TiO2浆料中的有机溶剂挥发，得到TiO2纳米晶多孔膜，完成TiO2纳米晶多孔膜和ZnO纳米线阵列纳米复合光阳极的制备。
2.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，其中在导电基片上沉积ZnO晶种层是采用磁控溅射、蒸镀或溶胶-凝胶的方法。
3.根据权利要求2所述的染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，其中ZnO晶种层的厚度为200-300nm。
4.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，其中外延生长ZnO纳米线阵列3时，采用的方法是水热化学反应法，采用的锌源为硝酸锌或醋酸锌溶液，该硝酸锌或醋酸锌溶液的浓度为50mM-100mM，该水热反应溶液的pH值为9.8-10.3，反应温度为90-120℃，反应时间为5-12小时。
5.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，其中丝网印刷TiO2浆料的次数为1-5次，TiO2浆料每印刷一次，在温度为120℃时干燥5分钟。
6.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，其中对复合电极进行加热时，是采取分步升温的方式，从室温至150℃，升温速度为1-3℃/min，之后以5℃/min升温至500℃，在500℃时保持20-40分钟。
7.根据权利要求1所述的染料敏化太阳能电池纳米复合光阳极的制备方法，其中导电基片是导电玻璃或导电塑料。
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